多孔建筑材料熱濕物理性能探究及應(yīng)用

王曉峰

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對生活的環(huán)境以及建筑質(zhì)量有著更高的要求，而在建筑施工中為了提高建筑工程的質(zhì)量而應(yīng)用了堅(jiān)固且運(yùn)輸方便的多孔建筑材料，因此，多孔建筑材料對建筑工程有著較重要的作用。但是同時，多孔建筑材料會因自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而產(chǎn)生熱濕物理性能，而熱濕物理性能影響著建筑材料的使用性能以及使用壽命，因此，本文需要探討多孔建筑材料熱濕物理性能，從而為進(jìn)一步改善多孔建筑材料以及合理的設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)而提供有效地依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多孔結(jié)構(gòu);建筑材料;熱濕物理性能;分析

本文分析了多孔介質(zhì)的傳熱質(zhì)理論，同時，結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)來分析了多孔介質(zhì)材料的傳質(zhì)系數(shù)，從而得知多孔建筑材料熱濕物理性能與建筑材料本身以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有著莫大的關(guān)系，因此，為進(jìn)一步改善多孔建筑材料以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)提供有效的依據(jù)，從而為建筑材料研發(fā)領(lǐng)域提供一定的指導(dǎo)意義。

1 關(guān)于多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論分析

根據(jù)建筑市場來看，絕大部分的材料均屬于多孔介質(zhì)，它是一種固體與流體組成的復(fù)合介質(zhì)。但是目前為止還沒有對其有個明確的定義，根據(jù)相關(guān)研究學(xué)者J·Bear對其進(jìn)行的簡單定義得知：多孔介質(zhì)是指部分空間至少有一種非固態(tài)的物質(zhì)，固體部分被稱為固相基質(zhì)，固體以外的物質(zhì)以外的空間被稱為空隙空間。同時，多孔介質(zhì)中至少有一個空隙空間是相連通的。另外，在1990年S·P·W·Wong對建筑材料進(jìn)行了分類，即非多孔介質(zhì)材料、等吸濕多孔介質(zhì)材料以及毛細(xì)多孔介質(zhì)材料等。根據(jù)多孔介質(zhì)傳輸現(xiàn)象可以得知其具有以下特點(diǎn)：第一，多孔介質(zhì)傳輸涉及到較多的科學(xué)理論，因此具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn);第二，多孔介質(zhì)材料應(yīng)用于不同的地方，則側(cè)重點(diǎn)就不一樣，例如：當(dāng)多孔介質(zhì)材料應(yīng)用于石油開發(fā)中，則需要側(cè)重其液相流動的規(guī)律;第三，多孔介質(zhì)具有非均勻的特點(diǎn)，這也是構(gòu)成其復(fù)雜性的重要原因，在此則需要通過實(shí)踐來了解其中的規(guī)律性。

2 關(guān)于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)多孔介質(zhì)材料的傳質(zhì)系數(shù)分析

多孔介質(zhì)材料的各種傳遞系數(shù)在傳熱傳質(zhì)的研究過程中存在著較大的難題，相關(guān)研究學(xué)者通過一系列的研究，到目前為止，關(guān)于傳質(zhì)系數(shù)的研究成果有以下幾種：水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)、液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)以及傳導(dǎo)系數(shù)。

2.1 水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)研究分析

水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)是指在一定的蒸汽壓差下，某一時間內(nèi)通過一定面積擴(kuò)散的水蒸氣量。同時，根據(jù)材料的不同，水蒸氣的擴(kuò)散系數(shù)是不盡相同的，通過研究發(fā)現(xiàn)，水蒸氣在材料中的擴(kuò)散系數(shù)與其在空氣中的系數(shù)呈以下關(guān)系：，其中μ為水蒸氣的擴(kuò)散阻力系數(shù)，其與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫σ约皽囟扔兄苯拥年P(guān)系，通過實(shí)踐計(jì)算得出，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)具有以下幾種成果：第一，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)在濕傳過程中為一定值;第二，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)在不同材料中會產(chǎn)生不同的值;第三，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)與材料物理有著一定的關(guān)系，且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

2.2 液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)研究分析

隨著水蒸氣的含濕量的增加，在多孔材料中，將會出現(xiàn)水蒸氣以及液態(tài)水兩種介質(zhì)傳遞形式。針對液態(tài)水在整個濕傳遞過程中的變化，不同的研究者提出不同的方程來描述，例如：Künzel認(rèn)為濕擴(kuò)散系數(shù)由吸濕水分階段與毛細(xì)水分階段結(jié)合而成的;而Roels針對水蒸氣濕傳遞給出了兩種擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算辦法，一種是綜合指數(shù)法，另一種為疊加函數(shù)法，這種系數(shù)可以得出水汽曲線。

綜上所述，以上均是由國外研究學(xué)者針對擴(kuò)散系數(shù)而提供的研究情況，我國國內(nèi)針對水分在混凝土中的擴(kuò)散也進(jìn)行了大量的研究，以土壤與巖層水流為例，張靖在分析巖石擴(kuò)散系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上提出擴(kuò)散系數(shù)的溫度校正公式，從而建立了一套研究巖石擴(kuò)散系統(tǒng)的方法;另外，劉志勇等人針對多孔介質(zhì)材料的氣體傳輸基礎(chǔ)上而提出一種混凝土氣體有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式，從而提出一種可以通過提高壓力梯度來測量混凝土的透氣性試驗(yàn)方法等等。而相對于建筑材料而言，其擴(kuò)散系數(shù)的研究較少，但是也有相關(guān)研究者提出一些研究成果，例如：蘇向輝針對多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)熱濕遷移的問題，提出了將質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)與熱質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)作為溫度以及含濕量，來觀察液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)的線性變化。

2.3 傳導(dǎo)系數(shù)研究分析

當(dāng)驅(qū)動力為毛細(xì)壓力時，傳濕量的系數(shù)等于液態(tài)水傳導(dǎo)系數(shù)。我國國內(nèi)不少研究學(xué)者就是利用液態(tài)水傳導(dǎo)系數(shù)來計(jì)算土壤方面的傳導(dǎo)系數(shù)。在普通建筑材料中，國外相關(guān)研究學(xué)者提出以下幾點(diǎn)模型，即簡化模型、網(wǎng)絡(luò)模型、管束模型等。簡化模型是不考慮多孔結(jié)構(gòu)以及彎曲因子的，而網(wǎng)絡(luò)模型是利用網(wǎng)格來模擬實(shí)際孔隙結(jié)構(gòu)，并且還通過了電阻網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證。

3 多孔建筑材料質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)研究分析

3.1 關(guān)于建筑材料多孔孔隙結(jié)構(gòu)分析

對于建筑材料而言，多孔孔隙影響著其材料的物理性質(zhì)，例如：強(qiáng)度、定都、彈性等，因此，需要研究以及了解孔隙結(jié)構(gòu)對材料性質(zhì)的影響，從而有效的解決多孔材料耦合計(jì)算的問題。材料內(nèi)部的熱濕物理性能與材料本身的結(jié)構(gòu)特性有著直接的關(guān)系，而多孔材料的復(fù)雜性以及多樣性使得多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)模型的建立有著較大的難度，但是還是取得了突破性的收獲，例如：在研究多孔材料結(jié)構(gòu)表征中，探析出了圖像分析技術(shù)等相關(guān)設(shè)備?？紫督Y(jié)構(gòu)可以分為以下兩類，即各向同性與各向異性，其中各向異性材料給熱濕傳遞性能的研究帶來一定的難度，所以本文著重結(jié)合多孔孔隙結(jié)構(gòu)的各向同性建筑材料來分析熱濕傳遞性能。

3.2 關(guān)于質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的推導(dǎo)分析

為了闡述濕分在多孔孔隙結(jié)構(gòu)各向同性建筑材料中的傳遞過程，則需要將材料的孔隙體積進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。當(dāng)熱力學(xué)平衡時，多孔材料的濕度會隨著附近空氣的濕度而升高，一旦到了一定濕度程度時則會凝結(jié)液態(tài)水。這時候液態(tài)水會居于孔隙中，隨著濕度進(jìn)一步增高，則形成以液態(tài)水的形式來傳遞濕度，在此過程中及公共三個含濕量過程，即干燥含濕量、過渡含濕量、有效含濕量。由于水蒸氣以及液態(tài)水的傳輸機(jī)理不一樣，有串聯(lián)模式與并聯(lián)模式，因此，多孔介質(zhì)中濕熱傳遞情況也不盡相同。

4 結(jié)語

本文分析了多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論，同時，結(jié)合多孔建筑材料質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)理論來分析了熱濕物理性能，多孔孔隙結(jié)構(gòu)的建筑材料產(chǎn)生熱濕物理性能與建筑的整體能耗以及室內(nèi)熱濕環(huán)境有著直接的聯(lián)系。改善對孔結(jié)構(gòu)建筑材料的熱濕物理性能對實(shí)現(xiàn)低碳、低能耗的建筑工程有著十分重要的作用，從而為建筑企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

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（作者單位：甘肅中興盛鼎建筑工程公司）